TWI784578B

TWI784578B - 電容式薄膜真空計、等離子體反應裝置和膜層製備方法

Info

Publication number: TWI784578B
Application number: TW110122225A
Authority: TW
Inventors: 連增迪; 左濤濤; 狄吳
Original assignee: 大陸商中微半導體設備（上海）股份有限公司
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2022-11-21
Also published as: CN114001858B; CN114001858A; TW202204863A

Abstract

本發明涉及半導體加工的技術領域，具體公開了一種電容式薄膜真空計，包括殼體和極板，殼體具有埠，殼體內部的空腔設置一膜片，膜片包括與埠相對的第一表面和與極板相對的第二表面，第一表面具有緻密的膜層，膜層含氟元素。本發明藉由在真空計中的膜片上增加一層緻密膜層，阻擋反應腔內的氟自由基滲透到膜片中，避免膜片發生性能改變，從而避免由於膜片性能改變造成的零點漂移，保證了真空計的測量精度，解決了習知真空計中氟自由基滲透造成的零點漂移的問題。進一步地，提供了一種等離子體反應裝置，這種裝置壓力便於控制和監控，以及膜層的製備方法，製備得到的膜層具有高緻密的性質。

Description

電容式薄膜真空計、等離子體反應裝置和膜層製備方法

本發明涉及半導體加工的技術領域，尤其涉及一種電容式薄膜真空計、等離子體反應裝置和膜層製備方法。

這裡的陳述僅提供與本發明有關的背景技術，而並不必然地構成習知技術。

在半導體器件的製造過程中，等離子蝕刻是將晶圓加工成設計圖案的關鍵製程。

在典型的等離子體蝕刻製程中，製程氣體（如CF4、O2等）在射頻（Radio Frequency，RF）激勵作用下形成等離子體。這些等離子體在經過上電極和下電極之間的電場（電容耦合或者電感耦合）作用後與晶圓表面發生物理轟擊作用及化學反應，從而將晶圓蝕刻出具有特定的結構，完成蝕刻工序。

發明人發現習知技術中至少存在如下問題：

習知技術中，反應腔中的真空度通過電容式薄膜真空計進行測量，然而隨著製程過程的不斷進行，如果製程氣體含有氟元素，等離子體中的氟自由基會不斷滲透進真空計的薄膜中。這種滲透會使得薄膜的性能發生改變，包含應力改變和形變，從而導致真空計的零點漂移，如果壓力零點漂移到一定程度，製程控制的壓力就會受到影響，從而導致製程的不穩定性。

如何避免真空計的零點漂移，將具有重要意義。

本發明的第一個目的在於提供一種電容式薄膜真空計，以解決現有真空計中零點漂移的缺陷。

為了實現上述目的，本發明提供的技術方案為：一種電容式薄膜真空計，包括殼體和極板，所述殼體內部為一空腔，所述殼體的一側設有與待測量真空腔相連的埠，另一側設有極板；所述空腔內設置一膜片，所述膜片包括與所述埠相對的第一表面和與所述極板相對的第二表面；所述第一表面具有緻密的膜層，所述膜層含氟元素；所述膜片為可變電極，所述極板為固定電極，所述膜片與所述極板組成一可變電容器。

上述真空計通過在膜片上增加一層緻密的膜層，該膜層具有和等離子體中的自由基相同的元素，能夠防止自由基滲透到膜片中，從而避免真空計的零點漂移。

進一步地，所述膜層厚度範圍為30-500nm。

進一步地，所述膜片厚度範圍為10-80um。膜層作用是防止自由基滲透到膜片中，因此不需要太厚，該範圍內的厚度就能夠滿足需求，這種厚度的膜層方便制取。

進一步地，所述膜層材料包括YOF或AlOF中的一種或多種。等離子體中的自由基通常為氟自由基，這種自由基與YOF和AlOF通常不會反應，因此採用這種材質的膜層穩定性強。

進一步地，所述膜片材質為陶瓷、Al₂ O₃ 、氧化釔，或鉻鎳鐵合金中的一種或多種。陶瓷的化學性質穩定，並且耐化學腐蝕，耐高溫，易於獲取，鉻鎳鐵合金耐熱耐腐蝕，化學性質穩定。

進一步地，所述膜層在所述第一表面的覆蓋率為95%以上。這種高覆蓋率能夠確保膜層的防滲透效果。

進一步地，所述極板和所述膜片分別連有引線，所述引線伸出所述殼體。引線用於檢測訊號的傳輸。

進一步地，所述膜片將所述空腔分為第一腔室和第二腔室，所述第一腔室通過所述埠與待測空間連通，所述第二腔室為真空腔室。第一腔室為檢測腔室，第二腔室為真空腔室，兩者之間有膜片分隔，通過測量膜片和極板之間的電容值來測量壓力。

進一步地，所述殼體材質為不銹鋼。這種金屬具有耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質的性質。

本發明的第二個目的在於提供一種等離子體反應裝置，包括一真空反應腔，所述真空反應腔連接上述的電容式薄膜真空計。

上述等離子體反應裝置具有電容式薄膜真空計，電容式薄膜真空計中的膜片不會發生零點漂移，反應裝置中的真空度易於測量和控制，在工作中製程控制的壓力不會受到零點漂移的影響，製程穩定性高。

本發明的第三個目的在於提供一種電容式薄膜真空計的膜層製備方法，採用原子層沉積法製備，具體包括以下步驟：將膜片置於一反應腔內；第一種反應前體以脈衝的方式進入反應腔並化學吸附在所述膜片的第一表面；待所述第一表面吸附飽和後，用惰性氣體將多餘的反應前體吹洗出反應腔；接著第二種反應前體以脈衝的方式進入反應腔，並與上一次化學吸附在所述第一表面的前體發生反應；待反應完全後再用惰性氣體將多餘的反應前體及其副產物吹洗出反應腔；重複上述步驟以在所述膜片表面形成緻密的膜層，所述膜層含有氟元素。

上述方法通過原子沉積法在膜片上製備膜層，這種製備方法製備的膜層具有高緻密的性質。

本發明的有益效果：本發明提供的電容式薄膜真空計，通過在真空計中的膜片上增加一層含氟元素的緻密膜層，這種緻密結構的膜層能夠阻擋反應腔內的氟自由基滲透到膜片中，避免膜片與氟自由基反應產生新的物質造成膜片性能改變，從而克服了由於膜片性能改變造成的零點漂移的缺陷，保障了真空計的測量精度，並且該緻密膜層具有氟元素，不易與真空反應腔內的氟自由基反應，化學性質穩定，不會產生其他產物影響真空計的精度。將該電容式薄膜真空計用於離子體反應裝置，測量資料準確，能夠提高裝置的製程穩定性。最後還提供了一種真空計中膜片上膜層的製備方法，得到的膜層具有高緻密的性質。

如圖1所示，為一種等離子體反應裝置結構示意圖，該裝置包括真空反應腔100，以及安裝在真空反應腔100上的真空計101，在製程過程中，該真空計101用於測量真空反應腔100的真空度，由於薄膜102分子間的空隙較大，當反應腔內的製程氣體包括含氟氣體時，隨著製程過程的不斷進行，等離子體中的氟自由基會不斷滲透進真空計101的薄膜102中，如圖2所示，由於氟的滲透，會在薄膜102表面產生新物質，比如AlOF或者ALF₃ 。而新物質的摩爾質量和熱膨脹係數不同，從而使得薄膜102的性能發生應力的改變和形變，此外，由於薄膜的不同區域與氟自由基接觸的程度不同，導致薄膜的中心和邊緣區域滲透率可能存在區別，從而改變了薄膜102與極板之間的電容值，進而導致真空計101的零點漂移，測量資料會偏小，影響真空反應腔100內製程的穩定性。目前製程要求零點漂移在0.3mTorr以內。

為了解決上述技術問題，本發明提出了一種電容式薄膜真空計，以及包括這種電容式薄膜真空計的等離子體反應裝置，並且還提出了這種電容式薄膜真空計中膜片上鍍膜的方法。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域通常知識者在沒有作出具進步性改變前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

需要說明，本發明實施例中所有方向性指示（諸如上、下、左、右、前、後……）僅用於解釋在某一特定姿態（如附圖所示）下各部件之間的相對位置關係、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。

還需要說明的是，當元件被稱為“固定於”或“設置於”另一個元件上時，它可以直接在另一個元件上或者可能同時存在居中元件。當一個元件被稱為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接另一個元件或者可能同時存在居中元件。

另外，在本發明中涉及“第一”“第二”等的描述僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。另外，各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域通常知識者能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護範圍之內。

圖3為本發明提供的一種電容式薄膜真空計的實施例的示意圖。

請參考圖3，該實施例公開的電容式薄膜真空計具體包括殼體200，殼體200內部為空腔300，殼體200包括上殼201和下殼202，空腔300由上殼201和下殼202圍成，下殼202設有一埠203，空腔300通過埠203與待測量真空腔相連。

在空腔300中裝有膜片400，本實施例中的膜片400裝設於上殼201與下殼202之間，膜片400將殼體200中的空腔300分為不相通的兩個空間，分別為第一腔室301與第二腔室302，其中第一腔室301通過下殼201的埠203與待測量真空腔連通，第一腔室301為檢測腔室，第二腔室302為真空腔室，真空腔室作為相對零點。並且在第二腔室302的底部設有一塊極板500，極板500為固定電極，膜片400為可變電極，膜片400與極板500構成一可變電容器，通過測量膜片400與極板500之間的電容值來測量壓力。需要說明的是，上述殼體200分為上殼201和下殼202的結構為本實施例用於說明的結構，在其他實施例中可以有其他實現結構，極板500設於第二腔室302底部的結構為本實施例用於說明的結構，在其他實施例中可以有其他實現結構。

膜片400具有兩個表面，分別為第一表面401和第二表面402，其中第一表面401與埠203相對，第二表面402與極板500相對。第一表面401與埠203連通的待測量真空腔室的環境接觸。

如圖4所示，在膜片400的第一表面401增設膜層600隔絕等離子體環境與膜片400的接觸，膜層600具有緻密的結構，能夠防止等離子體環境中的氟自由基滲透到膜片400中。該膜層600還含氟元素，具體可以選擇YOF或者AlOF，或者其他含氟元素的化合物。選用含氟元素的化合物不易與氟自由基發生反應，這種化合物在等離子體環境中化學性質穩定，不會產生在膜片400上產生影響精度的其他產物。並且製程產生的氟自由基很難滲透進YOF或AlOF中，避免其他物質的產生使得膜片400的性能發生應力的改變和形變，避免電容式薄膜真空計的零點漂移造成的測量資料偏小的結果，保障了真空反應腔100內製程的穩定性。

膜層600的厚度小於膜片400的厚度，其作用主要是防止自由基滲透到膜片400中，不需要太厚，選用30-500nm厚度範圍，所述膜片厚度範圍為10-80um，方便制取。在其他實施例中選用範圍外的厚度，也能夠實現同樣的效果。

在一實施例中，膜片400和極板500還分別連有引線700，引線700伸出殼體200，用於檢測訊號的傳輸。

在一實施例中，膜片400材質選用化學性質穩定，並且耐化學腐蝕，耐高溫，易於獲取的Al₂ O₃ 或耐熱耐腐蝕，化學性質穩定的鉻鎳鐵合金。或者其他化學性質穩定的金屬。

在一實施例中，膜層600在第一表面401的覆蓋率為95%以上，這種高覆蓋率能夠確保膜層的防滲透效果。其他覆蓋率能夠滿足防滲透效果也可以選擇。

在一實施例中，殼體材質選用不銹鋼，這種金屬具有耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質的性質。

圖5是本發明實施例一種等離子體反應裝置的結構示意圖。

請參考圖5，等離子體反應裝置包括：電容式薄膜真空計800和真空反應腔100，真空反應腔100內為等離子體環境，電容式薄膜真空計800與真空反應腔100的內的等離子體環境連通，電容式薄膜真空計800中的膜片400上具有膜層600的第一表面401與真空反應腔100的等離子體環境接觸。

等離子體反應裝置還包括設於真空反應腔100內的晶圓吸盤110、線圈120、襯套130和絕緣窗口140。其中晶圓吸盤110設於真空反應腔100內用於放置晶圓W；襯套130設於絕緣視窗140與真空反應腔100之間，襯套130設有通氣口131，線圈120與絕緣視窗140相連。

在一實施例中，等離子體反應裝置為電感耦合等離子體反應裝置或者為電容耦合等離子體反應裝置。

圖6是本發明實施例電容式薄膜真空計的膜層製備方法流程圖。

請參考圖6，採用物理氣相沉積法製備，具體包括以下步驟： 11、將膜片放置於反應腔內；其中，膜片為電容式薄膜真空計中的可變電極； 12、提供靶材並蒸發；其中，靶材含有氟元素，例如YOF或者AlOF，將靶材蒸發為分子流； 13、分子流增強並輸送；其中，將分子流通過增強源增強，輸送至膜片表面； 14、形成膜層；其中，分子流在膜片表面沉積形成緻密的膜層。

本實施例採用物理氣相沉積法，但不限於物理氣相沉積法。例如採用原子層沉積法製備，如圖7所示，具體包括以下步驟： 21、將膜片放置於反應腔內；膜片為電容式薄膜真空計中的可變電極； 22、第一反應前體吸附；第一種反應前體以脈衝的方式進入反應腔並化學吸附在膜片的第一表面，待表面吸附飽和後，用惰性氣體將多餘的反應前體吹洗出反應腔； 23、第二反應前體吸附；接著第二種反應前體以脈衝的方式進入反應腔，並與上一次化學吸附在表面的前體發生反應，待反應完全後再用惰性氣體將多餘的反應前體及其副產物吹洗出反應腔；所述第一反應前體和第二反應前體中至少有一種含有氟元素。 24、形成膜層；膜片表面形成緻密的膜層，膜層含有氟元素。

綜上所述，本發明提供的電容式薄膜真空計實施例，通過在真空計中的膜片上增加一層含氟元素的緻密膜層，這種緻密結構的膜層能夠阻擋反應腔內的氟自由基滲透到膜片中，避免膜片與氟自由基反應產生新的物質造成膜片性能改變，從而克服了由於膜片性能改變造成的零點漂移的缺陷，保障了真空計的測量精度，並且該緻密膜層具有氟元素，不易與真空反應腔內的氟自由基反應，化學性質穩定，不會產生其他產物影響真空計的精度。等離子體反應裝置的實施例，利用這種電容式薄膜真空計，測量資料準確，能夠提高裝置的製程穩定性。真空計中膜片上膜層的製備方法的實施例，通過物理氣相沉積法或者原子層沉積法製備，得到的膜層具有高緻密的性質。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是在本發明的發明構思下，利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接/間接運用在其他相關的技術領域均包括在本發明的專利保護範圍內。

100:真空反應腔 101:真空計 102:薄膜 110:晶圓吸盤 120:線圈 130:襯套 131:通氣口 140:絕緣窗口 200:殼體 201:上殼 202:下殼 203:埠 300:空腔 301:第一腔室 302:第二腔室 400:膜片 401:第一表面 402:第二表面 500:極板 600:膜層 700:引線 800:電容式薄膜真空計 W:晶圓 11～14, 21~24:步驟

為了更清楚地說明本發明實施例或習知技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域的通常知識者來講，在不付出具進步性改變的前提下，還可以根據這些附圖示出的結構獲得其他的附圖。圖1是一種等離子體反應裝置的結構示意圖；圖2是氟自由基滲透示意圖；圖3是本發明實施例的電容式薄膜真空計結構示意圖；圖4是本發明實施例的膜層阻擋氟自由基示意圖；圖5是本發明實施例的等離子體反應裝置結構示意圖；圖6是本發明實施例採用物理氣相沉積法製備膜層流程圖；以及圖7是本發明實施例採用原子層沉積法製備膜層流程圖。

200:殼體

201:上殼

202:下殼

203:埠

300:空腔

301:第一腔室

302:第二腔室

400:膜片

500:極板

600:膜層

700:引線

Claims

一種電容式薄膜真空計，其中，包括一殼體和一極板，該殼體內部為一空腔，該殼體的一側設有與待測量真空腔相連的一埠，另一側設有該極板；該空腔內設置一膜片，該膜片包括與該埠相對的一第一表面和與該極板相對的一第二表面；該第一表面具有緻密的一膜層，該膜層含氟元素；該膜片為可變電極，該極板為固定電極，該膜片與該極板組成一可變電容器。
根據請求項1所述的一種電容式薄膜真空計，其中，該膜層的厚度範圍為30-500nm。
根據請求項1所述的一種電容式薄膜真空計，其中，該膜片的厚度範圍為10-80um。
根據請求項1所述的一種電容式薄膜真空計，其中，該膜層的材料包括YOF或AlOF中的一種或多種。
根據請求項1所述的一種電容式薄膜真空計，其中，該膜片的材質為陶瓷、氧化鋁、氧化釔、鉻鎳鐵合金中的一種或多種。
根據請求項1所述的一種電容式薄膜真空計，其中，該膜層在該第一表面的覆蓋率為95%以上。
根據請求項1所述的一種電容式薄膜真空計，其中，該極板和該膜片分別連有一引線，該引線伸出該殼體。
根據請求項1所述的一種電容式薄膜真空計，其中，該膜片將該空腔分為一第一腔室和一第二腔室，該第一腔室通過該埠與待測空間連通，該第二腔室為真空腔室。
根據請求項1所述的一種電容式薄膜真空計，其中，該殼體材質為不銹鋼。
一種等離子體反應裝置，其中，包括一真空反應腔，該真空反應腔連接如請求項1-9任一所述的電容式薄膜真空計。
一種電容式薄膜真空計的膜層製備方法，其中，採用原子層沉積法製備，具體包括以下步驟：將一膜片置於一反應腔內；第一種反應前體以脈衝的方式進入該反應腔並化學吸附在該膜片的一第一表面；待該第一表面吸附飽和後，用惰性氣體將多餘的反應前體吹洗出該反應腔；接著第二種反應前體以脈衝的方式進入該反應腔，並與上一次化學吸附在該第一表面的前體發生反應；待反應完全後再用惰性氣體將多餘的反應前體及其副產物吹洗出該反應腔；以及重複上述步驟以在該膜片表面形成緻密的一膜層，該膜層含有氟元素。